NR 演进之路
1.2.2 广覆盖需求的实现
1.2.3 高移动性需求的实现
移动性是指满足特定 QoS 和无缝传输条件下系统可支持的最大移动速度。NR 要求用户终端在 500 km/h 的极端环境下也能保持始终如一的高速连接。这一指标相对于 LTE 最大支持 350 km/h 的设计有着显著的性能提升，同时也就要求要有一系列优化的方案来克服移动性的限制。
1．高移动性基本约束
由于多普勒效应的作用，终端在高速运动时将引起多普勒频偏，直接导致接收机解调性能的下降。
多普勒效应是指当发射端与接收端之间存在相对运动时，两者互相接近时接收频率变高，而两者互相远离时接收频率变低的物理现象。多普勒频移即发射端与接收机之间的相对运动所引起信号在频域上的扩展，具体可表征为
其中，fc 为载波频率，c 为光速，v 为移动速度，θ是运行方向与接收方向的夹角。由式（1-15）可知，在给定移动速度时，最大的多普勒频偏 fd 发生在cosθ=1 时。
对 OFDM 通信系统而言，多普勒频移对移动性的影响直接体现在其对子载波正交性的破坏或部分破坏。如图 1-11 所示，OFDM 子载波间的正交性取决于
每个子载波特殊的时频结构（子载波周期性地出现零值，且这些零值恰好落在其他子载波的峰值频率处），而并非简单地依赖于频域隔离。而一旦存在多普勒频偏，每一个子载波在所有其他子载波中心频率处的频率不再为零，子载波间的正交性受到破坏，从而引起子载波间干扰（ICI）。图 1-12 示出了存在频偏时的情况。
相干时间 Tc 是频域多普勒频移在时域的表示，用以描述在时域信道内频率色散的时变性。相干时间的普遍定义由式（1-16）近似给出。
当 OFDM 信号的符号周期 Ts＜Tc 时，发送信号经历慢衰落，此时信道为静态信道；而当符号周期 Ts＞Tc 时，发送信号经历快衰落，此时信道发生时间选择性衰落，易引起 OFDM 的子载波间干扰。
由于 OFDM 符号周期与子载波间隔成反比，因而，为了对抗多普勒频移引发的 ICI，在设计通信系统的 OFDM 基本参数时，OFDM 子载波间隔不宜过小，
以免因 Ts 过大而增加系统的时频敏感性。从这一意义上来说，相干时间 Tc 越小，OFDM 基本参数配置的受限越大，通信系统也越难设计。
图 1-13 示出了载波频率分别为 2.6 GHz、3.5 GHz、4.9 GHz 以及 28 GHz条件下，信道相干时间 Tc 与速度 v 的关系。可见，载波频率越高，相干时间越小；且随着速度的缓慢增大，相干时间迅速变小。这也决定了更高频段难以适用于 NR 高速移动的场景。
除了多普勒频移，对移动性的另一基本约束是小区频繁切换的问题。由于单站覆盖范围有限，UE 高速移动时将在短时间内穿越多个小区的覆盖范围，引起频繁的小区间切换，进而影响网络的整体性能。
2．高移动性实现思路
根据前面的讨论，为了支持更高移动性，NR 需要从克服多普勒频偏、降低小区切换频次两方面入手。前者可通过增强的系统参数设计来降低系统的时频敏感性，如增大子载波间隔、加大 RS 信号的时域发送密度等。后者主要是从网络层面考虑，加强站间协作。
（1）系统参数设计。
NR 对子载波间隔（SCS）、循环前缀（CP）、随机接入 PRACH 格式、解调参考信号（DMRS）以及小区下行参考信号（RS）进行了全新设计，以便更好地满足高速移动的需求，如图 1-14 所示。
以 PRACH 格式为例，LTE 的 PRACH 序列采用 SCS 为 1.25 kHz 的单一设计，无法完全对抗频段升高、速度升高带来的多普勒频偏。NR 则定义了更为灵活的 PRACH Preamble 格式，以支持不同场景的灵活切换。按照 NR 的Preamble 序列长度，可分为长序列和短序列两类前导。长序列沿用了 LTE 设计方案，共 4 种格式，支持{1.25, 5}kHz 子载波间隔；短序列为 NR 新增，共 9种格式，其子载波间隔 Sub-6G 支持{15, 30}kHz，Above-6G 支持{60, 120}kHz。凭借灵活的 PRACH 子载波配置，NR 在应对超高速场景时相对于 LTE 更为得心应手。
此外，增加解调参考信号的时域密度也是重要的手段。NR 设计了前置 DMRS导频与时域密度可配置的附加 DMRS 导频相结合的导频结构。其中，前置 DMRS的作用在于以较少的开销获得满足解调需求的信道估计功能。附加 DMRS 的作用在于，面对中/高移动场景时，可在调度持续时间内安插更多的 DMRS 导频符号，以满足对快速时变信道的估计精度。更多其他系统参数增强设计的细节，我们留待后续章节介绍。
（2）双连接。
在高移动性场景下，为保证用户无缝连接及 QoS 要求，最基本的要求就是减少切换并且保证用户通过切换区域的时间一定要大于切换的处理时间。从这一层面出发，双连接是解决 NR 小区间频繁切换的可选方案。
双连接是指工作在 RRC 连接态的用户终端同时由至少两个网络节点提供服务，通常包括一个主基站 MeNB（Master eNodeB）和一个辅基站 SeNB（Secondary eNodeB）。各网络节点在为同一个终端服务的过程中所扮演的角色与节点的功率类别无关。
考虑终端由一个宏小区（Macro-cell）和一个微小区（Small-cell）同时提供服务的典型场景。如图 1-15 所示，UE 沿着 A 点到 E 点的轨迹高速移动。首先，配置以下移动性事件：A2 为服务小区比门限差；A3 为邻小区比服务小区质量好；A4 为邻小区比门限好；A6 为邻小区比辅服务小区质量好。当用户 UE初始位于 A 点时，根据 A4 事件，UE 与 Macro-cell 保持 RRC 连接，此时的Macro-cell 即为 MeNB。当 UE 到达 B 点时，由于邻小区比当前服务小区质量好，UE 根据 A3 事件切换到 Small-cell，此时 MeNB 也变为 Small-cell。从 B 到D 的移动过程中，Small-cell 为 UE 添加合适的 SeNB，比如 Macro-cell。过了 D点以后，UE 再次执行 A3 事件，将 MeNB 从当前的 Small-cell 切换到 Macro-cell。假设沿着 UE 的移动轨迹，在 Small-cell 相邻处存在 Small-cell #2，此时，UE可能会根据 A6 事件，将 SeNB 设置为 Small-cell #2。
在上述双连接的切换流程中，由于 Small-cell 始终处于 Macro-cell 的覆盖范围内，且 Macro-cell 可以为 UE 提供相对稳定可靠的连接，因而，可以重新设计合理的切换算法，去除 MeNB 的切换。也就是说，使 UE 始终保持与Macro-cell 的 RRC 连接，而仅仅执行 SeNB 的添加、修改和释放，使 Small-cell只提供数据传输的连接。这样，通过使 Macro-cell 利用其广域覆盖的优势提供控制面连接，Small-cell 发挥高容量优势提供用户面连接，既避免了频繁切换的信令开销，又使在高速移动场景下，即使终端移动到小区边缘也能保持良好的用户体验速率。
